Fotodetektorer är enheter som omvandlar information som bärs av ljus till en elektrisk signal som kan bearbetas av elektroniska kretsar och datorer. De finns i vardagliga enheter, såsom TV-fjärrkontroller och rörelsesensorer, och de är en nyckelkomponent i många tekniker för artificiell intelligens och Internet of Things (IoT). Men den största, och den snabbast växande marknaden för dem är inom datacenter och telekommunikation – där tiotals miljoner av dem distribueras varje år för att tillgodose de skyhöga kraven på lagring av vår datorteknik.

Tillväxten i dessa branscher har gjort fotodetektorn till en produkt med hög efterfrågan, men deras tillverkning kräver dyra material, som guld och titan, och mycket kontrollerade förhållanden som produceras av kapitalintensiv utrustning med höga underhållskostnader.

Forskare vid Drexel University rapporterade nyligen om ett nytt sätt att göra sensorerna, använder en typ av tvådimensionellt material som kallas MXene, som förbättrar deras känslighet och sänker produktionskostnaderna avsevärt.

I sin forskning, som nyligen presenterades i tidskriften Avancerade material , gruppen visar hur att ersätta guld med ett genomskinligt tunt lager av MXene-material kan göra det möjligt att skala upp fotodetektorproduktionsprocessen och ta ut sensorer som är överlägsna den nuvarande – guldstandarden.

"Detta är en viktig utveckling eftersom den globala efterfrågan på fotodetektorer förväntas uppgå till 2 miljarder dollar till år 2024, så det finns ett akut behov av att skala upp processen och hitta mer hållbara material att använda som komponenter, sa Pouya Dianat, Ph.D., en biträdande forskningsprofessor vid Drexel's College of Engineering och medförfattare till artikeln.

Fotodetektorer omvandlar ljusstrålning till en elektrisk ström. De använder vanligtvis guld som kontaktmaterial för att ansluta detektormaterialet till resten av kretsen eftersom det är mycket ledande. Dessa detektorer blir allt vanligare i en rad applikationer som kräver snabb överföring av datavolymer, såsom automatiserad montering, packnings- och leveranssystem som växer för att klara explosionen av onlinehandel. Höga ställningar av dem används i datacenter i lagerstorlek för att sprida information över byggnader som kan sträcka sig över fyra fotbollsplaner.

Eftersom MXenes, som är tvådimensionellt tunna skiktade material, är tillräckligt mångsidiga för att förbli starkt ledande när de appliceras i en mängd olika former – från sprayfärg, att lera, till bläck – de har dykt upp som en tilltalande kandidat för användning, i transparent filmform, som elektroder i fotodetektorer.

"En av de största utmaningarna med att tillverka fotodetektorer är avsättningen av guldkontakter. Förutom kostnaden för själva guldet, tillverkningsprocessen måste utföras vid hög temperatur och i vakuumkammare, vilket också är ganska dyrt, sa Kiana Montazeri, doktorand och huvudförfattare till uppsatsen. "Vi ersätter guld med MXenes, som är billigare material, och framställning av fotodetektorkomponenterna genom att deponera den i omgivningsförhållanden med användning av en bordsspinnare."

Denna tunnfilmsavsättningsprocess, fungerar ungefär som att placera en bläckklot i en centrifug och sedan dra bort det resulterande stänket från väggen. Som en relativt enkel process som kan utföras under normala atmosfäriska förhållanden på ett mönstrat substrat, den kan lätt skalas upp för att massproducera MXene-fotodetektorer.

Känsligheten hos fotodetektorer är kopplad till det ljuskänsliga materialets yta. Medan större sensorer skulle vara mer önskvärda, deras storlek kräver också mer optisk kraft för att fungera, och gör att svaret blir långsamt. Eftersom de är ledande, MXene-filmer kan användas i flera komponenter i sensorerna, på så sätt förvandlar nästan hela enhetens yta till ett avkänningsområde, utan att minska dess energieffektivitet eller prestanda.

"Intresset för MXenes har exploderat nyligen av ett antal anledningar, främst bland dem är att de kan blandas med vatten för att göra sprayer och bläck samtidigt som de förblir ganska ledande, sa Bahram Nabet, Ph.D., en professor vid Drexel's College of Engineering och en medförfattare till artikeln "Att använda transparent MXene-film som kontakter i fotodetektorer erbjuder en uppenbar fördel genom att det minskar kompromissen mellan transportavstånd och responsivitet."

I tidningen rapporterar forskarna att MXene-filmfotodetektorerna som de skapade presterade ungefär fyra gånger bättre - vad gäller känslighet - än nuvarande enheter gjorda med guld. Det betyder att de skulle kunna användas för att göra datacenter mycket mer energieffektiva.

"Nästa steg för detta arbete är att fortsätta att standardisera produktionsprocessen och utveckla metoder för att stabilisera MXene-komponenter för användning i en mängd olika miljöer och förhållanden, sade Michel Barsoum, Ph.D., Erkänd professor vid Ingenjörshögskolan. "Vi förväntar oss att denna upptäckt kommer att öppna dörren för att använda MXene i en mängd olika opto-elektroniska enheter, såsom fotodioder och fototransistorer samt möjliggörande teknologier såsom mikroelektronik, fotoniska integrerade kretsar och kiselfotonik."